Широкополосные усилители малых сигналов

Для усиления малых сигналов чаще всего используют монолитные интегральные схемы (ИС). В настоящее время серийно выпускается много типов ИС для разнообразных применений. Тем не менее существуют такие задачи, решая которые можно до­биться наилучших результатов, если использовать специально разработанные устройства, реализованные на дискретных элементах, по совокупности параметров точ­но соответствующие специфическим требованиям и в этом смысле являющиеся оп­тимальными.

К таким устройствам относятся усилители, обладающие сравнительно большим динамическим диапазоном и/или чувствительностью, а также высокой линейностью амплитудной характеристики.

Для достижения данной цели наиболее подходят схемы с отрицательной обратной связью; в них используются малошумящие биполярные транзисторы с большим кол­лекторным током, относящиеся к категории дешевых СВЧ-транзисторов. Предельная частота f_T^1} этих полупроводниковых приборов, составляющая 4-5 ГГц, позволяет реализовывать усилители с предельной частотой более 1 ГГц и полосой пропускания около десяти октав. Они имеют при этом во всем рабочем диапазоне почти идентич­ные значения входного и выходного сопротивлений и поэтому идеально подходят для использования в 50-омных устройствах.

Структуры с отрицательной обратной связью следует рассматривать с учетом спе­цифики их применения. Так, если необходимо обеспечить оптимальный динамический диапазон и одновременно высокую чувствительность, то в цепи обратной связи следует использовать нешумящие реактивные элементы (Х-обратная связь). Если же требуется большой динамический диапазон, то можно использовать простые схемы с активными омическими сопротивлениями в качестве элементов отрицательной обратной связи (R-образная связь).

Критериями для выбора транзисторов кроме предельного тока и допустимой мощности рассеяния являются прежде всего величина f_T и динамический коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером (ОЭ) Р₀ (измеряется на частоте 1 кГц). Возможное значение предельной рабочей частоты для этого усилителя можно при­ближенно определить по формуле 10-(f_T/P₀), а частотно-зависимый коэффициент усиления тока p_f можно аппроксимировать с достаточной для практики точностью функцией f_T/f, т. е. 0_f < Р₀; следует отметить, что допуски на значения (3₀ достигают — 50/+ 500% от приведенных в справочниках значений (как правило, 50-80). В последующих расчетах можно рекомендовать применять при коллекторных токах

Рис. 1.69. Основная схема усилителя типа А с реактивной Х-отрицательной обратной связью и формулы для его расчета.

1_С < 60 мА хорошо зарекомендовавшие себя транзисторы типа BFT 66, BFR 96(8), MRF 904, MRF 965 или им подобные.

В дальнейшем будут рассмотрены три сходные, но более или менее отличающиеся друг от друга схемы усилителей; по режиму работы для лучшего различия мы обозна­чим их как схемы типа А, В или С¹⁽.

Для каждого из типов усилителей будут рассмотрены три подтипа, соответствую­щие значениям коллекторных токов 14, 33 и 55 мА. Из перечисленных выше транзисто­ров для усилителей с коллекторным током 14 мА наиболее подходят BFT 66 и MRF 904, но могут использоваться и BFR 96(8) и MRF 965; эти транзисторы обладают наилучшими шумовыми свойствами для транзисторов данной мощности.

Рассмотрим усилитель типа А. Основная схема этого усилителя с цепью отрица­тельной обратной связи типа X и соотношения, используемые при ее проектировании, приведены на рис. 1.69. Мы конкретизируем параметры усилителя, требуемые для соответствующих условий применения, В качестве основных критериев следует указать входную интермодуляционную точку 3-го порядка IP_i3, входную точку компрессии²⁾ KPj, коэффициент усиления мощности G ; коэффициент шума F, а иногда коэф­фициент обратной передачи сигнала А_х. Затем на номограммах, представленных на рис. 1.70-1.72, мы отыскиваем рассчитанные или желаемые сочетания параметров в зависимости от 1_С. При этом мы располагаем следующими диапазонами значений-для JPj^ + 116-39.ЬдБм, для КР; - 3-+ 10 дБм, для G_p 4,5-9,5 дБ и для F 1,7-3,6 дБ, для А_х имеем А_х = G_pr — G_p, где G_pr представляет собой коэффициент передачи мощности. И наконец, следует записать соответствующие значения коллекторного тока 1_С и по­лученные значения коэффициентов трансформации nu для трансформаторов Ш (толь­ко при Wj ф W₂) и 02.

Все три подтипа общей схемы как с трансформатором t)l, так и без него пред­ставлены в виде полных принципиальных схем на рис. 1.73.

В табл. 1.16 приведены зависящие от тока 1_С значения R1-R4 и указаны номиналы элементов для двух диапазонов частот 1-50 МГц и 30-200 МГц.

Общие замечания о частотно-зависимых элементах: реактивное сопротивление ем­кости С1 должно составлять менее 10 Ом, емкости С2- менее 1 Ом, а дросселя Hfd-более 500 Ом; эти значения относятся к низшей рабочей частоте. На рис. 1.74 представлена схема расположения обмоток на тороидальном сердечнике трансформа­тора U2 (обмотки следует выполнять бифилярно/трифилярно из скрученных проводов).

Рис. 1.70. Семейство характеристик усилителя типа А при коллекторном токе 1_С = 14 мА.

Рис. 1.71. Семейство характеристик усилителя типа А при коллекторном токе I,. = 33 мА.